Selles blogipostituses uurime, mida laine kokkuvarisemine tähendab, keskendudes kvantmehaanika erinevate tõlgenduste hulgas Kopenhaageni tõlgendusele ja paljude maailmade tõlgendusele ning kaalume iga tõlgenduse omadusi ja piiranguid.
19. sajandi lõpust kuni 20. sajandi alguseni hakkasid ilmnema nähtused, mida ei saanud seletada ainult klassikalise füüsika abil. Maxwell ja Einstein avastasid, et valgusel on nii laine- kui ka osakestelaadsed omadused. Max Born ennustas, et ka osakestel on lainelised omadused. Väidetavalt on Davissoni-Germeri topeltpilu katse eksperimentaalselt näidanud, et elektronidel on lainelaadne käitumine. Kahe piluga katse lähemal uurimisel selgub järgmine: järjestikku on paigutatud elektrone kiirgav seade, kahe piluga plaat ja ekraan. Elektronallikast kiirguvad elektronid läbivad kahte pilu ja jõuavad ekraanile; kui elektronide saabumist ekraanile jälgitakse, ilmub interferentsimuster. Sellist mustrit ei teki, kui on ainult üks pilu. Seega tuleb elektroni asukohta seletada lainena, mis läbib mõlemat pilu samaaegselt. Nende nähtuste selgitamiseks tekkis kvantmehaanika. Kvantmehaanikas kirjeldatakse tõenäosuslaineid looduse põhiliste ehituskividena. Tõenäosuslaineid kasutatakse aine oleku kirjeldamiseks. Aine olek hõlmab selliseid omadusi nagu asend ja spinn. Tõenäosuslaine näitab, et väärtus ei ole üheski punktis fikseeritud, vaid selle esinemise tõenäosus on igas punktis erinev. Kvantmehaanika loodi 20. sajandi alguses ning arvukad eksperimentaalsed tulemused sellest perioodist ja hilisemast ajast toetavad selle teooria paikapidavust. Selle teooria keskmes on Schrödingeri lainevõrrand. Kvantmehaanika põhivõrrandina kirjeldab Schrödingeri lainevõrrand, kuidas tõenäosuslaine ajas muutub. Siiski jääb ebaselgeks, kuidas sellised tõenäosuslained täpselt igapäevaeluga seotud on. Igapäevaelus ei ole meie vaadeldavad tulemused mitte mitu seisundit, vaid üks kindel seisund – kuidas seda seletada? Mis on tõenäosuslaine ja kas on olemas viis seda mõista? Nende küsimuste lahendamiseks on tekkinud kvantmehaanika mitmesuguseid tõlgendusi. Varasemas kvantfüüsika konverentsil läbi viidud uuringus küsiti osalejatelt nende eelistuste kohta iga tõlgenduse osas. Kopenhaageni tõlgenduse eelistus oli 42%, kvantinformatsioonilise perspektiivi eelistus 24% ja paljude maailmade tõlgenduse eelistus 18%. Nagu uuringust näha, on Kopenhaageni tõlgendus füüsikaringkondades peavoolu tõlgendus. Kopenhaageni tõlgendus on see, mille töötasid välja kvantmehaanika algusaegadel Bohri juhitud teadlased. Brian Greene tutvustas Kopenhaageni tõlgenduse põhiprintsiipi järgmiselt: „Alati, kui püüame tõenäosuslainet otse jälgida, siis vaatlusakt ise seda häirib.“ Kopenhaageni tõlgendus selgitab, et vaatluse hetkel ei saa tõenäosuslaine enam selles olekus püsida ja variseb kokku üheks punktiks. Selgitatakse, et selle üheks punktiks kokkuvarisemise tulemus ongi meile tuttav reaalsus. Seda protsessi nimetatakse laine kokkuvarisemiseks. Kvantinformatsiooni perspektiiv selgitab, et universum ise koosneb kvantinformatsioonist, mis moodustab universumi olemuse. See väidab, et kõik on selle kvantinformatsiooni hõlmavate kvantarvutuste tulemus. Sellest vaatenurgast vaadeldakse kogu universumit mõnikord kui masinat, mis teeb kvantarvutusi. Seth Lloyd on kirjutanud raamatu, mis veenvalt seda vaatenurka kaitseb. Selles raamatus selgitas ta informatsiooni rolli ja selle seost tegelike füüsikaseadustega. Näiteks selgitas ta, kuidas kvantarvutus kipub tundmatut teavet levitama, ja täpsustas entroopiaga seotud füüsikaseadusi. Paljude maailmade tõlgenduse pakkus välja Hugh Everett. See tõlgendus ei aktsepteeri lainefunktsioonide kokkuvarisemist, mis on Kopenhaageni tõlgenduse nurgakivi. Selle asemel väidab see, et universum hargneb mitmeks maailmaks ja kõik võimalused realiseeruvad. Seega selgitab see, et igas maailmas tajub vaatleja meile tuttavat reaalsust. Lainefunktsiooni kokkuvarisemise kontseptsioon – mida võib pidada Kopenhaageni tõlgenduse tuumaks – ei ole minu jaoks veenev. Nagu Brian Greene märkis, on „vaatluse” piiritlemine ebaselge. Selgitus kõlab umbes nii: lainefunktsiooni kokkuvarisemine ei toimu mikroskoopiliste objektide omavahelises interaktsioonis, kuid see toimub siis, kui vaatleja teeb mõõtmise; seda selgitust on aga raske aktsepteerida.
On loomulik eeldada, et füüsikaseadused kehtivad kogu universumis universaalselt ja identselt. Kuna ka vaatleja on osa universumist, usun, et on loomulik, et kvantmehaanika seadused kehtivad võrdselt kõigile tegevustele, sealhulgas vaatlusele. Kopenhaageni tõlgendus selgitab aga, et laine kokkuvarisemine toimub vaatleja vaatlusakti tagajärjel. Matemaatiliselt on laine kokkuvarisemine samuti tavalistest kvantmehaanilistest operatsioonidest erinev toiming. Kuigi ma ei saa siinkohal üksikasjalikult selgitada protsessi, mille käigus tõenäosuslainefunktsioon muutub, saab seda kirjeldada kui operatsiooni, mis hõlmab korrutamist teatud eriliste omadustega pöörduva maatriksiga. „Pöörduv” tähendab, et tulemuse ja selle põhjustanud oleku vahel on üks-ühele vastavus. Lainefunktsiooni kokkuvarisemise korral see vastavus aga katkeb. Süsteem fikseeritakse ühte olekusse, mistõttu on algse oleku taastamine võimatu. Juhtudel, kus vaatluse iseloom on ülioluline – näiteks Kopenhaageni tõlgenduses –, võetakse mõnikord kasutusele Heisenbergi lõike mõiste. See kontseptsioon väidab, et kvantmehaanika seadused kehtivad teatud piirini ja sellest piirist kaugemale jõudes lainefunktsioon variseb kokku. See piir ei ole aga selgelt määratletud. Seda saab määrata objektide, näiteks elektronide või prootonite, tasemel või makroskoopiliste objektide, näiteks inimeste tasemel. See on ebarahuldav, sest see ei täpsusta, kuhu täpselt see piir tuleks tõmmata. Tuntud näide, mis seda olukorda illustreerib, on Schrödingeri kassi mõtteeksperiment. Selles mõttekatses ilmuvad aatomist väiksem osake ja kass. Väike osake võib teatud tõenäosusega laguneda, protsessi, mida saab seletada kvantmehaanikaga. Selle kõrvale on paigutatud tuvastusseade. Väidetavalt käivitub hetkel, kui selline lagunemine avastatakse, mehhanism, mis kassi tapab. See tõstatab küsimuse, kas kass on sel hetkel surnud või elus. Kopenhaageni tõlgendus selgitab, et kassi olek – kas elus või surnud – määratakse kindlaks hetkel, kui teda vaadeldakse. See seletus põhineb eeldusel, et isegi makroskoopilised objektid ei koge lainete kokkuvarisemist. See viitab sellele, et isegi suuri objekte tuleb vaadelda kvantmehaanika raamistikus. Sellest tulenevalt on olemas mõtteeksperimente, mis viivad selle olukorra veelgi suuremasse äärmusesse. Selles mõttekatses eeldame, et sõber viis läbi Schrödingeri kassi mõttekatse ja jälgis kassi olekut. Sellisel juhul ei anna see lõplikku selgitust, millisel piiril tuleks lainefunktsiooni kokkuvarisemisena pidada. Selle piiri osas peavad mõned vaatleja teadmiste ulatust ülioluliseks ja see on väidetavalt seotud tõenäosusega. Sellest hoolimata on Kopenhaageni tõlgendusel eelis, et see selgitab vaatleja poolt täheldatud tulemusi hõlpsalt ja selgelt. Tegelikult selgitab see väga hästi erinevate katsete tulemusi. Piisab laine kokkuvarisemise rakendamisest eksperimentaalsete tulemuste vaatlemise hetkel või makroskoopiliste objektidega suheldes. See on mugav tõlgendus, mis ei nõua vaatlusseadmete kvantseisundi arvestamist. Üks selle suure edu põhjus, vaatamata laine kokkuvarisemise intuitiivselt raskesti aktsepteeritavale tulemusele, on tõenäoliselt selle võime eksperimentaalseid tulemusi hästi selgitada. Just seetõttu, et laine kokkuvarisemine on nii ebaloomulik seletus, usun, et paljude maailmade tõlgendus võiks olla Kopenhaageni tõlgendusele elujõuline alternatiiv. Paljude maailmade tõlgendus ei tunnista lainete kokkuvarisemist. Väidetavalt on see tõlgendus, mis on tuletatud üksnes Schrödingeri lainevõrrandile keskendumisest. Kuna see ei vaatle vaatlusakti mingite eriliste seaduste allutatuna, tõlgendab see protsessi lihtsalt laine oleku muutusena, nagu see on näha lainevõrrandist. Teisisõnu, on arusaadav, et vaatluse ajal laine ei varise kokku; pigem sisenevad vaatleja ja objekt kvantmehaaniliselt põimunud olekusse. Selle takerdunud oleku mõistmiseks uurime näidet paljude maailmade tõlgenduse vaatenurgast, mis ei tunnista lainete kokkuvarisemist. Elektroni spinn võib olla kas üles (↑) või alla (↓). Vaatlusaparatuur on seade, mis mõõdab elektroni spinni. Oletame, et vaatlusseadme oleku kuvaaknal on kolm võimalikku olekut: üles (⟰), alla (⟱) ja tühi (). Vaatame olukorda enne mõõtmist. Elektroni spinni ja vaatlusseadme oleku kuvamise akent saab kirjeldada teineteisest sõltumatute tõenäosuslainetena. Elektron ei ole fikseeritud ei üles (↑) ega alla (↓) asendis, vaid seda esindab tõenäosuslaine. Mõõteaparaat oleks katse jaoks seatud tühja olekusse () ja seda olukorda esindaks tõenäosuslainefunktsioon. Vaatame olukorda pärast mõõtmist. Sel hetkel ei saa seda enam kirjeldada sõltumatute tõenäosuslainefunktsioonidena. Üldist olekut kirjeldab hoopis üks tõenäosuslainefunktsioon, mis hõlmab nii elektroni kui ka mõõteaparaati.
Täpsemalt öeldes esindab seda üks tõenäosuslainefunktsioon, mis kirjeldab ainult kahte võimalikku olukorda: üks, kus elektroni spinn on ülespoole ja vaatlusaparaadi olekuaken näitab „üles“ (↑⟰), ning teine, kus elektroni spinn on allapoole ja vaatlusaparaadi olekuaken näitab „alla“ (↓⟱). Seda nähtust, kus mitu olekut ei ole enam iseseisvad, kirjeldatakse kui „põimumist“. Paljude maailmade tõlgendus viib selle sammu edasi. Ülaltoodud näidet vaadates on kaks võimalikku olukorda (↑⟰, ↓⟱). Paljude maailmade tõlgendus käsitleb maailma jagunenuna nendeks kaheks olekuks. See tähendab, et ühes maailmas tekib olukord ↑⟰ ja teises maailmas ↓⟱. Väidetavalt ei ole Schrödingeri võrrandi sellisel viisil vaatlemisel mingeid olulisi matemaatilised probleeme. Kui me eraldame võimalikud olekud vaatlustulemuste põhjal ja tõlgendame iga tulemust eraldi maailmana, siis see ongi justnimelt paljude maailmade tõlgendus. Seega vaadeldakse iga sündmust, mida saab pidada vaatluseks, kui sündmusena, milles maailmad lõhenevad. Järelikult realiseerub igas maailmas iga kvantmehaaniliselt teostatav võimalus. Paljude maailmade tõlgenduse juures köidab mind kõige rohkem see, et see ei pea vaatlusakti millekski eriliseks. Kuna isegi vaatlejat vaadeldakse osana maailmast, mis allub samadele kvantmehaanika seadustele, pean seda tõlgendust universaalsemalt rakendatavaks. Paljude maailmade tõlgendus seisab aga silmitsi paljude kriitikatega. Puudub veenev selgitus selle kohta, mida tähendab maailma jagunemine mitmeks maailmaks. Lisaks on väide, et eksisteerib mitu maailma, iseenesest veider. Kui maailmu luuakse pidevalt lõputult, pole võimalik seletada, kuidas me suudame nii paljudel neist silma peal hoida. Lisaks, kui erinevad maailmad on täiesti eraldiseisvad ega saa üksteist mõjutada, võiks väita, et vaatleja vaatenurgast on teiste maailmade olemasolu täiesti mõttetu. Sellest vaatenurgast muutub tõlgendus ise mõttetuks. Lisaks on paljude maailmade tõlgenduses veel üsna palju väljakutseid, millega tuleb tegeleda. Esiteks on üks ülesannetest, millega tuleb tegeleda, piisava selgituse andmine selle kohta, millist maailma tegelik vaatleja tajub. Samuti peab olema võimalus kirjeldada nähtusi vaatleja vaatenurgast – mitte terviku vaatenurgast –, et selgitada nähtusi, mida me igapäevaelus jälgime. Seda seetõttu, et me ei vaatle otseselt tõenäosuslaineid, vaid ainult nende tulemusi. Kopenhaageni tõlgendus selgitab seda aspekti selgelt. Kopenhaageni tõlgendus väidab, et maailm, mida me jälgime, realiseerub lainefunktsiooni kokkuvarisemise kaudu ja see annab tulemusi, mis on reaalsusega kooskõlas. Lisaks peaks paljude maailmade tõlgendus suutma selgitada Kopenhaageni tõlgendust. Kui paljude maailmade tõlgendus on õige, peaks see suutma selgitada – oma vaatenurgast –, kuidas kõik senised eksperimentaalsed tulemused on vastanud Kopenhaageni tõlgenduse ennustustele. Lisaks peame kindlaks tegema, millistel asjaoludel võivad kahe tõlgenduse vahel tekkida erinevused. Seetõttu on seose loomine Kopenhaageni tõlgendusega samuti suur väljakutse. Ma ei toeta Kopenhaageni tõlgenduse laine kokkuvarisemise kontseptsiooni, sest pole selge, millal täpselt seda tuleks rakendada, ja ma pean mõõtmise eraldamist eraldi protsessina universaalsuse seisukohast problemaatiliseks. Selle asemel usun, et peaksime säilitama perspektiivi, et kogu universumit saab kvantmehaanikas kirjeldada kui tõenäosuslikku lainet ja et vaatleja on samuti selle osa. Seetõttu arvan, et alternatiivideks võiksid olla paljude maailmade tõlgendus ja sarnased teooriad. Nagu varem mainitud, on nende tõlgendustega siiski endiselt mitmeid probleeme. Nagu füüsikute seas läbi viidud uuringu tulemused näitavad, pole kvantmehaanika tõlgendamise osas veel lõplikku järeldust tehtud. Mõned olemasolevad tõlgendused on katsetega ümber lükatud. Kopenhaageni tõlgenduse ega paljude maailmade tõlgenduse jaoks pole selliseid katseid veel läbi viidud. On võimalik, et kunagi töötatakse välja eksperimentaalsed disainilahendused, mis suudavad nende tõlgenduste erinevusi tegelikult demonstreerida. Teise võimalusena võime lõpuks järeldada, et kõik need tõlgendused on võrdselt kehtivad. Seetõttu usun, et füüsikaseaduste mõistmise süvenedes avanevad uued võimalused kvantmehaanika tõlgendamiseks. Selle protsessi kulgu on põnev jälgida.
